汽車ABS系統(tǒng)中主動(dòng)式輪速傳感器解析

何細(xì)鵬

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

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汽車ABS系統(tǒng)中主動(dòng)式輪速傳感器解析

何細(xì)鵬

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

摘 要：汽車ABS系統(tǒng)中主動(dòng)式輪速傳感器在國(guó)外技術(shù)非常成熟，使用也十分廣泛，在國(guó)內(nèi)也被各大汽車公司應(yīng)用到了多種車型上。文章主要闡述了霍爾式（Hal）和磁阻式（MR）主動(dòng)輪速傳感器的工作原理，重點(diǎn)分析了不鑒別方向的和鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器的信號(hào)特征。

關(guān)鍵詞：輪速傳感器；磁阻式；霍爾式；ABS

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.051

CLC NO.: U463.3Document Code: BArticle ID: 1671-7988(2016)04-144-03

引言

汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS系統(tǒng)）是指在汽車制動(dòng)過程中為了使汽車達(dá)到最佳的制動(dòng)效果和使汽車在制動(dòng)過程中保持良好的行駛穩(wěn)定性，避免汽車因甩尾和喪失方向穩(wěn)定性而發(fā)生交通事故，能夠根據(jù)車輪滑移率適時(shí)調(diào)節(jié)制動(dòng)力大小，防止車輪抱死的電子控制系統(tǒng)。汽車ABS系統(tǒng)中輪速傳感器的功能為時(shí)刻檢測(cè)各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，然后把此轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)送到ABS的電控單元（ECU），ECU再根據(jù)此信號(hào)計(jì)算出車輪的滑移率，將實(shí)際滑移率和滑移率標(biāo)準(zhǔn)值做比較，得出指令并發(fā)送至執(zhí)行器液壓模塊，從而調(diào)節(jié)車輪制動(dòng)力的大小，使車輪始終保持在要抱死而又未抱死的狀態(tài)，即防止車輪抱死。

汽車ABS系統(tǒng)中輪速傳感器按功能原理可劃分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩類。被動(dòng)式輪速傳感器是目前國(guó)內(nèi)技術(shù)最為成熟，使用最為廣泛的一種輪速傳感器，其常見的形式為電磁感應(yīng)式輪速傳感器。主動(dòng)式輪速傳感器在國(guó)外技術(shù)非常成熟，使用也十分廣泛，在國(guó)內(nèi)也被各大汽車公司應(yīng)用到了多種車型上，常見的形式有霍爾式（Hal）、磁阻式（MR）和巨磁阻（GMR）等。被動(dòng)式輪速傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；缺點(diǎn)是體積大，質(zhì)量重，傳感器輸出電壓信號(hào)的振幅隨車速的變化而變化，且抗電磁干擾性差。主動(dòng)式輪速傳感器則克服了感應(yīng)式輪速傳感器的缺點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)為體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，并且國(guó)外大多數(shù)主動(dòng)式輪速傳感器的齒圈上設(shè)計(jì)有N-S的多極磁環(huán)，因此主動(dòng)式輪速傳感器的感應(yīng)頭不再設(shè)計(jì)背磁，使得該類傳感器體積更小，安裝更方便，輸送給ECU的信號(hào)為交替變化的高低電流，信號(hào)穩(wěn)定，抗電磁干擾性能好。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)式輪速傳感器逐漸被應(yīng)用在汽車ABS系統(tǒng)中。本文主要闡述的就是主動(dòng)式輪速傳感器。

1、主動(dòng)式輪速傳感器的工作原理

主動(dòng)式輪速傳感器又稱為有源輪速傳感器，它有一個(gè)電源電路給其提供一個(gè)外部電壓。假如電源電路不能提供電壓，那么主動(dòng)式輪速傳感器就無(wú)法產(chǎn)生任何信號(hào)。

主動(dòng)式輪速傳感器體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，背磁設(shè)計(jì)在齒圈上，感應(yīng)頭直接安裝在車輪軸承上。主動(dòng)式輪速傳感器一般包括一個(gè)感應(yīng)元件和一個(gè)電子元件，感應(yīng)元件常見的為霍爾式或磁阻式，這些元件能夠依據(jù)它們的磁流量的大小來(lái)控制電壓。與被動(dòng)感應(yīng)式傳感器相比，主動(dòng)式輪速傳感器輸出的信號(hào)與車輪的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，所以能夠用來(lái)監(jiān)測(cè)車輪的轉(zhuǎn)速，包括車輪完全停止的狀態(tài)。感應(yīng)元件上產(chǎn)生的電壓最后會(huì)被兩個(gè)直流發(fā)電機(jī)變換為電流，而電流的變化頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系。這種使用霍爾式或磁阻式感應(yīng)元件產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的傳感器顯然要比被動(dòng)感應(yīng)式傳感器的抗干擾性能好，另外還可以使用這種方式實(shí)現(xiàn)其他多項(xiàng)功能，如：車輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向的鑒別、傳感器空氣間隙尺寸的監(jiān)測(cè)等。

1.1 霍爾式（Hal）主動(dòng)輪速傳感器的工作原理

霍爾效應(yīng)式主動(dòng)輪速傳感器由一個(gè)霍爾組件（通常含兩個(gè)霍爾效應(yīng)元件）和一個(gè)電子元件組成。霍爾效應(yīng)元件能夠在同時(shí)垂直與磁場(chǎng)和電流的方向上產(chǎn)生一個(gè)電壓，這一現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)，這個(gè)電壓我們稱之為霍爾電壓。傳感器中的霍爾組件能夠控制電壓，使得霍爾電壓隨著通過霍爾效應(yīng)元件的磁流量的大小變化而變化。

霍爾效應(yīng)式主動(dòng)輪速傳感器的霍爾組件由兩個(gè)霍爾效應(yīng)式元件組成（如圖1中A區(qū)域）。兩個(gè)霍爾效應(yīng)式元件產(chǎn)生的信號(hào)通過一個(gè)差速器的處理和過濾最后轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)電信號(hào)（如圖1中區(qū)域B）。這個(gè)電信號(hào)再通過增強(qiáng)處理（如圖1中區(qū)域C）和校正處理，隨后抗干擾處理，最終形成新的方波（如圖1中區(qū)域D）。這一方波信號(hào)最后要通過兩個(gè)并聯(lián)設(shè)計(jì)的7mA的直流發(fā)電機(jī)（如圖1中區(qū)域E）。第一個(gè)直流發(fā)電機(jī)不斷地輸送信號(hào)并確定信號(hào)的低電流值（7mA），第二個(gè)直流發(fā)電機(jī)則將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娏髦担?+7=14mA）。兩個(gè)直流發(fā)電機(jī)的功能就是要盡力得到?jīng)]有被干擾的標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。

1.2 磁阻式（MR）主動(dòng)輪速傳感器的工作原理

磁阻式主動(dòng)輪速傳感器由一個(gè)磁阻式元件和一個(gè)電子元件組成（如圖2所示）。磁阻式元件（半導(dǎo)體）通常由一些被硅片分離的高透磁合金片組成。這些硅片能夠依據(jù)磁場(chǎng)的電流強(qiáng)度和磁場(chǎng)的方向的改變而改變它們自身的電阻值大小，而電阻值大小的改變又會(huì)導(dǎo)致磁阻式元件自身電壓降的改變，這一電壓降又能夠控制設(shè)置在后面的電子元件，這一電子元件最后產(chǎn)生一個(gè)7mA或14mA的電流，這一電流再加在電控單元的內(nèi)部電阻（115歐姆）上而產(chǎn)生相應(yīng)的電壓。

圖2　磁阻式(MR)輪速傳感器的原理圖

2、主動(dòng)式輪速傳感器的信號(hào)特征

汽車ABS系統(tǒng)中霍爾式和磁阻式主動(dòng)輪速傳感器的信號(hào)特征相同，但是它們都有可鑒別方向的和不鑒別方向的兩種類型。本文下面分別闡述不鑒別方向的和鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器的信號(hào)特征。

圖3　不鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器的信號(hào)波形

2.1 不鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器的信號(hào)特征不鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器的輸出信號(hào)基本是恒定的，輸送給ECU的信號(hào)為7mA或14mA交替變化的高低電流（信號(hào)波形如圖3所示），其電流變化頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比，同時(shí)不受空氣間隙大小、齒圈尺寸精度、工作頻率等因素影響，受工作溫度的影響也非常小

2.2 鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器的信號(hào)特征

圖4　鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器的信號(hào)波形

鑒別方向的和不鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器主要工作原理相同，內(nèi)部電路也沒有本質(zhì)區(qū)別，它們的區(qū)別僅僅是內(nèi)部下拉電阻（圖1中所示的R）的阻值不同。不鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器的內(nèi)部電阻R的阻值是115歐，而鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器的內(nèi)部電阻R的阻值是50歐。

鑒別方向的主動(dòng)式輪速傳感器對(duì)內(nèi)部電路重新設(shè)計(jì)后，能夠輸出7mA、14mA和28mA等三種不同的電流。其中低電流信號(hào)7mA和高電流信號(hào)14mA為車輪轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)，它的變化頻率與車輪轉(zhuǎn)速成正比，ECU根據(jù)該脈沖信號(hào)的頻率計(jì)算車輪轉(zhuǎn)速。

14mA的中電流信號(hào)是數(shù)據(jù)協(xié)議，表示當(dāng)前輪速傳感器的各種狀態(tài)。該數(shù)據(jù)協(xié)議一共有9個(gè)數(shù)據(jù)位，每個(gè)數(shù)據(jù)位都能夠使用其波形的上升沿與下降沿來(lái)表示對(duì)應(yīng)的0或1的二進(jìn)制代碼，然后用二進(jìn)制代碼表示當(dāng)前輪速傳感器的狀態(tài)，其中第4個(gè)數(shù)據(jù)位就是用來(lái)鑒別方向的數(shù)據(jù)位，如圖4所示。數(shù)據(jù)協(xié)議含義如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)協(xié)議含義

3、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，汽車ABS系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車的標(biāo)配，而且很多基于ABS平臺(tái)的安全控制系統(tǒng)也都獲得了開發(fā)和應(yīng)用，例如：驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)（ASR）、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）、車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)（VDC）、電子制動(dòng)力分配（EBD）、電子控制制動(dòng)輔助系統(tǒng)（EBA）等等。而這些安全控制系統(tǒng)對(duì)輪速傳感器的性能要求也越來(lái)越高，輪速傳感器的性能也變得越來(lái)越關(guān)鍵。主動(dòng)式輪速傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，而且主動(dòng)式輪速傳感器輸送給ECU的信號(hào)為交替變化的高低電流，信號(hào)穩(wěn)定，抗電磁干擾性能好，因此它必將會(huì)被廣泛應(yīng)用在汽車安全控制系統(tǒng)中。

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中圖分類號(hào)：U463.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-7988(2016)04-144-03

作者簡(jiǎn)介：何細(xì)鵬，碩士，教研室主任，就職于武漢交通職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，研究方向：汽車維修技術(shù)。

Parsing of ABS active wheel speed sensor

He Xipeng
( Transportation vocational college, Hubei Wuhan 430065 )

Abstract:Active for ABS wheel speed sensor technology is very mature in a foreign country, use very extensive in the country's major car companies have also been applied to a variety of models. This paper describes Hall (Hal) and works capstan speed magnetoresistive (MR) sensor analyzes the signal characteristics are not discriminating direction and active wheel speed sensor identification directions.

Keywords:wheel speed sensor; Magnetoresistive; Hall; ABS